还原含铬原材料的方法和系统的制作方法
【专利说明】还原含铬原材料的方法和系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利申请/专利要求于2013年3月6日提交的、标题为“还原含铬原材料的方法和系统”未决美国临时专利申请N0.61/773，502的优先权利益，其内容在此通过引用全部并入。
技术领域
[0003]本发明一般地涉及铬铁生产技术和还原含铬原材料的改进方法和系统。
【背景技术】
[0004]以往，高碳铬铁通过将铬矿在浸没式电弧炉(EAF)等中预处理后熔炼和还原制得。铬矿的预处理的实例包括压块、烧结、球团焙烧，和球团预还原。
[0005]在球团预还原中，例如，将铬矿石与焦炭研磨成粉和造粒以制备生球团，然后将其在回转窑等中在约1300°C以上还原焙烧，以提供预还原的球团。这些预还原球团的还原度，其在内部加入焦炭只有60%至70%，与外部加入的焦炭组合时达到80%。因此，该方法与其他类型的预处理相比具有明显更小的在EAF中还原铬矿的所需热量，从而极大地降低功耗。
[0006]球团预还原是一种有利的具有低功耗的方法；然而，该方法涉及为了预处理使用旋转窑，有以下回转窑特有的问题。因为回转窑的基本原理是基于进料的翻滚，回转窑不利地产生大量的在其中容易引起挡料环的粉尘。此外，由于进料停留时间的变化，回转窑需要一个过大的长度，因而涉及大的设备安装面积和大的表面积。因此，回转窑不利地消耗大量热量，导致比期望更高的燃料消耗。此外，与外部加入的焦炭的组合的不利之处在于它会导致回转窑中外部加入焦炭的大的氧化损失。
[0007]从热力学的观点来看氧化铬比氧化铁的更不容易还原。通过用设置在窑卸料端的燃烧器加热球团，窑内球团的温度逐渐升高。从而，内部添加的焦炭优先消耗于包含在铬矿中的氧化铁的还原中，因为氧化铁比氧化铬更容易被还原。作为结果，因为氧化铬比氧化铁更不容易还原，氧化铬的还原滞后。
[0008]为了解决这些回转窑独特的问题，已经提出了一些方法，其中将转底炉(RHF)用于预还原。
[0009]在一个这样的方法中，将生球团，其通过加入含碳材料到含有Cr和Fe的钢厂废料以及粒化混合物而制备，用杆式预热器预热到大约600摄氏度至800摄氏度，然后装入转底炉且在还原气氛中逐渐加热到大约1000摄氏度到1800摄氏度。
[0010]在另一个这样的方法中，将生球团，其通过将适量铬矿加入到不锈钢生产过程中的含铬废料中并且与焦炭混合粒化而制备，放置在一个转底炉的炉床上并用燃烧气体加热以制造含有铬和铁的球团。
[0011]上面的方法，与回转窑相比，产生更少的粉尘，因此不会产生挡料环，因为放置在旋转炉床上的进料是静止的。此外，不需要过多的炉床面积，因为进料的停留时间是均匀的。从而，所使用的设备更紧凑且炉表面面积较小，使得该炉具有较少的耗散热且并提供较低的燃料消耗。
[0012]然而，在上述方法中，内部添加含碳材料即使在杆式预加热器中约600摄氏度到800摄氏度就开始还原氧化铁(而含碳材料在上述温度下不还原氧化铬)。此外，球团在转底炉内被逐渐加热，其结果是，含碳材料优先消耗于氧化铁的还原。当炉达到可以开始氧化铬的还原的温度时，因为缺乏含碳材料氧化铬失去接触到含碳材料的机会，造成低的铬还原率。另一方面，增加内部添加含碳材料的量以保持接触的机会会导致以下典型问题:生球团由于强度下降而崩解在炉床上形成沉积物；从转底炉到烟道气的粉尘损失增加；以及还原球团崩解，或否则其密度减小，造成电炉中溶解在熔化金属中的困难，从而导致较低的冶炼产量。
[0013]此外，上述方法没有提到球团的加热温度和升温速度以及上述氧化铬还原滞后的问题。
[0014]相应地，美国专利N0.8，262，766 (Sugitatsu等人)的目标，其形成一些本发明改进的概念基础，例如，是要提供用于还原含铬原料的方法和系统。当将含有氧化铬和氧化铁且提供有内部添加含碳材料的含铬原料还原(即预还原)时，这些方法和系统促进氧化铬的还原，同时抑制内部添加含碳材料在氧化铁还原过程中的优先消耗，从而增加了铬还原度。然而，这些方法和系统也具有显著的缺点，其由本发明的方法和系统解决，如下所述。
【发明内容】
[0015]再一次地，美国专利N0.8，262，766提供了还原含铬原料的方法和系统，包括，混合含有氧化铬和氧化铁的含铬原料和含碳还原剂以形成混合物的混合步骤；以及通过在移动床式炉内辐射加热快速升温来加热和还原混合物以提供还原的混合物的还原步骤。
[0016]如果所述混合物的温度在移动床式炉内被迅速提升，则可以允许在混合物中内部添加的含碳材料在氧化铁还原中被消耗之前开始氧化铬的还原。从而，氧化铬的还原继续同时氧化铬和内部添加含碳材料之间的接触机会被维持。因此，这种方法可以提供具有高的铬还原度的还原的混合物。特别地，优选使用其中放置在炉床上的进料是静止的移动床式炉用于混合物的加热和还原。这样的炉的使用可以显著减少粉尘产生量以及防止由于粉尘沉积在炉壁上形成的挡料环。另外，该炉不需要回转窑所需的大设备，因为混合物在炉内的停留时间是均匀的。从而，所使用的设备更紧凑且因此提供了更小的安装面积和更少的热耗散量的优点。
[0017]在本实施方式中，在还原步骤中混合物温度提升的平均速度在从混合物辐射加热开始到混合物达到约1114摄氏度期间优选为13.6摄氏度/秒或更高。以此温度上升速度的快速升温更加可靠地提供了上述效果。在本实施方式中，还原步骤优选在约1250摄氏度到1400摄氏度进行。移动床式炉中在所述温度下的还原步骤允许氧化铬的有效还原。
[0018]此实施方式优选进一步包括通过连续辐射加热将在还原步骤提供的还原的混合物熔化的还原和熔化步骤。还原后的熔化导致金属和/或炉渣的团聚以减小金属和/或炉渣的表面积以及金属和炉渣之间界面的面积，从而减少不希望的反应，如再氧化。此外，在同一炉中的还原之后的熔化能够避免温度下降，所述温度下降在例如将还原混合物在还原后从移动床式炉卸载和转移并在另一个设备中熔化时发生。该方法因而可以抑制还原的混合物熔化中的能量损失。
[0019]此实施方式优选进一步包括冷却和凝固通过移动床式炉内辐射加热提供的还原的熔化材料以提供还原的固体的凝固步骤；以及将所述还原的固体分离为金属和炉渣的分离步骤。从而，该混合物在移动床式炉内被还原和熔化，所述移动床式炉中放置在炉床上的进料是静止的，以除去炉渣，并从混合物中回收金属。因此这种方法不需要冶炼炉，从而显著降低设备成本和能量消耗。在本实施方式中，通过辐射加热的熔化步骤优选在高于还原步骤中的温度，在约1350摄氏度到1700摄氏度范围内的温度下进行。通过在将还原的混合物在约1350摄氏度至1700摄氏度熔化之前，允许还原的混合物中所含氧化铬的还原在约1250摄氏度到1400摄氏度下充分进行，还原的混合物的铬内含物可以以包含在金属中的金属铬的形式回收，而不是作为包含在炉渣中的氧化铬被去除。因此这种方法可以提供铬的高收率。
[0020]在本实施方式中，含碳气氛调节剂优选与混合物一起在还原步骤中加入到移动床式炉的炉床上。如果含碳气氛调节剂与混合物一起加入到炉床上，从该气氛调节剂除去挥发成份(de-volatilized)而得的挥发性成分和该气氛气体中所含的0)2和H2O的溶液损失反应产生的气体如CO和H2将混合物附近保持在还原气氛中以阻止还原的混合物的再氧化。挥发成分和如CO和比的气体，也可用作移动床式炉内辐射加热的燃料，以减少移动床式炉内的燃料消耗。此外，气氛调节剂在除去挥发成份后被转换成在高温下不变软的碳基材料。这种材料能防